El sistema eléctrico está evolucionando rápidamente hacia un escenario descarbonizado muy complejo que debe seguir funcionando con los actuales parámetros de calidad y seguridad, a la vez que integra generación distribuida renovable, vehículos eléctricos, una demanda cada vez más electrificada, edificios de energía positiva, prosumidores, etcétera. Esta integración no es directa; la fluctuación e incertidumbre que conlleva la producción renovable y los nuevos recursos energéticos plantean serios problemas para la seguridad, la estabilidad de la red y la calidad del suministro. Todas las redes son capaces de gestionar cierta variabilidad asociada a la demanda eléctrica y la disponibilidad de los recursos, pero los escenarios apuntados para los próximos años requieren de cambios en los sistemas de operación y control de una red que deberá estar cada vez más digitalizada. Es necesario optimizar el funcionamiento de toda la infraestructura y los activos conectados, anticipándose a posibles fallos y manteniendo en todo momento la seguridad y sostenibilidad del suministro eléctrico.
La gestión de la flexibilidad de la red para acomodar estas variaciones aparece como el concepto nuclear en este nuevo escenario, que requerirá nuevas configuraciones de mercado para incentivar los nuevos servicios con la participación de nuevos actores, como los agregadores independientes, consumidores activos, y comunidades energéticas entre otros. Ante este reto Tecnalia ha desarrollado la suite de soluciones software Flexcite, concebida para cubrir las necesidades de los diferentes agentes de la cadena de valor de la distribución eléctrica, desde la empresa distribuidora que tiene una visión global de su red hasta el prosumidor final que quiere autoabastecerse y participar en los mercados eléctricos.
Como soporte a las distribuidoras, Flexcite incorpora tres módulos: un estimador de estado para redes de distribución en baja tensión desequilibradas, una herramienta para la evaluación de la estabilidad de pequeña señal de redes eléctricas con fuerte penetración de electrónica de potencia, y un módulo de detección y solución de congestiones. La arquitectura modular de Flexcite proporciona además soluciones de gestión energética para agregadores, gestores de microrredes y plantas de generación híbridas con almacenamiento. Finalmente, más allá de la operación de los recursos, incluye una herramienta de diseño y dimensionado de sistemas de almacenamiento para la provisión de diferentes servicios de red, y una aplicación para la generación y análisis de múltiples escenarios de planificación energética.
Una red cada vez más compleja
El incremento de la observabilidad en la red de baja tensión mediante el despliegue de contadores inteligentes y otros equipos como el supervisor de baja tensión en el centro de transformación abre un abanico de posibilidades en la operación y explotación de esta red.
El primer paso es obtener una observabilidad fiable de la red. Para ello, Tecnalia ha desarrollado TWINnet–DSSE, una solución software que permite conocer el estado de la red eléctrica de baja tensión, concretamente el perfil completo de tensiones para una red de distribución desequilibrada de cuatro hilos (tres fases y neutro), a partir de una serie de medidas sensorizadas y otros parámetros eléctricos de la red, en un instante de tiempo dado.
El estimador de estado corrige y compensa el potencial efecto negativo de medidas de entrada erróneas o inexistentes aumentando la visibilidad del estado de una red de distribución no suficientemente monitorizada y observable. Constituye por lo tanto una herramienta imprescindible para la gestión de la red eléctrica y los recursos energéticos controlables.
TWINnet–DSSE toma como datos de entrada las medidas o pseudo–medidas disponibles (tensiones, potencia, corrientes, etcétera), e información de la red (topología e impedancias de las líneas), y proporciona como variables de salida una estimación del perfil de tensiones en cada una de las fases de la red (módulo y ángulo de tensiones en los nodos), y una estimación de las inyecciones de potencia y flujos de potencia por las líneas.
El software está basado en un enfoque determinista que implementa un algoritmo de interpolación por mínimos cuadrados ponderados mediante el cual se obtienen los valores más certeros de la tensión de todos los nodos de la red, que minimizan el error de las ecuaciones de estado definidas para las medidas de entrada disponibles (flujos e inyecciones de potencia, tensiones, etcétera).
Segunda solución
La segunda solución orientada a los operadores de red de distribución es DSO/Flex (DSO Flexibility Management Tool). Se trata de una herramienta software de detección y resolución de problemas de tensión y congestiones en la red de distribución: a partir del modelo de la red de distribución (topología y parámetros eléctricos), la previsión de demanda y generación en los nodos de la red, y la flexibilidad disponible en cierto horizonte temporal proporcionada por un agregador, detecta potenciales congestiones en la red junto con violaciones de los límites de tensión, y calcula la activación de flexibilidad requerida al agregador para la resolución de estos problemas.
Adicionalmente a congestiones y violaciones de los límites de tensión, otro problema importante al que se enfrentan los operadores de red está asociado a las instabilidades provocadas por los convertidores de potencia conectados en la red. Las redes eléctricas se enfrentan a un uso cada vez más extendido de este tipo de equipos para conectar fuentes de generación distribuida de origen renovable, sistemas de almacenamiento, FACTS, sistemas de transmisión en corriente continua de alta tensión, etc. Además, empieza a ser una realidad el desarrollo de subredes de corriente continua integradas y operando de manera coordinada con la red de corriente alterna, formando lo que se conoce como redes híbridas AC/DC.
La transición hacia un sistema eléctrico dominado por convertidores de potencia plantea, entre otros retos, nuevos problemas de estabilidad derivados de las interacciones mutuas entre convertidores, o entre estos y el resto de elementos de la red. Las razones de estas interacciones son múltiples y para su estudio es necesario desarrollar metodologías y herramientas que permitan analizar la estabilidad de redes dominadas por convertidores de potencia.
Converter Stability Tool for Electric Power Systems es una aplicación software para realizar de manera sistemática estudios de estabilidad de pequeña señal en los dominios temporal y frecuencial de estos sistemas, permitiendo evaluar los márgenes de estabilidad del sistema eléctrico, probar su resiliencia frente a modos de oscilación inestables e interacciones armónicas, calcular la matriz de impedancias equivalente de convertidores de potencia, realizar estudios de sensibilidad paramétrica, con factores de participación y autovalores críticos, y finalmente, diseñar controles y esquemas de amortiguamiento activo que mejoren los márgenes de estabilidad del sistema.
Agregador
La flexibilidad, entendida como la capacidad de aumentar o disminuir el consumo y generación de un conjunto de instalaciones conectadas a la red eléctrica durante un periodo de tiempo determinado, es un servicio que se puede ofrecer a las compañías operadoras de red (tanto distribuidoras como operadoras de la red de transporte) para que estas operen de forma eficaz sus redes eléctricas, retrasando potenciales refuerzos de la red y sus inversiones asociadas.
Tecnalia pone a disposición de los agregadores de flexibilidad, tanto comercializadores como futuros agregadores independientes, Aggreflex, una plataforma software para que puedan participar en diferentes mercados eléctricos, tanto de energía (mercado diario) como de resolución de congestiones, ya sean locales operados por las compañías de distribución o en mercados de ámbito común que sirven tanto a las operadoras de distribución como de transporte de electricidad (restricciones técnicas).
Por un lado, Aggreflex genera las ofertas óptimas de flexibilidad para participar en esos mercados eléctricos, y, por otro, calcula las consignas de operación en tiempo real de los diferentes recursos energéticos gestionados con objeto de cumplir con las ofertas aceptadas y las asignaciones realizadas en los mencionados mercados.
Los recursos energéticos gestionados comprenden sistemas de generación, almacenamiento y consumo flexible conectados en la red de distribución en los ámbitos residencial y comercial. Entre los sistemas de generación se contemplan generadores con motores de combustión (por ejemplo, biogás) así como instalaciones fotovoltaicas; sistemas de almacenamiento incluyen baterías (independientemente de la tecnología utilizada), y, en cuanto a los sistemas de consumo, estos incluyen sistemas de climatización (bombas de calor), carga de vehículos eléctricos y consumos diferibles de carácter genérico.
Microrred
Otro concepto que ya no es novedoso, pero para el que en los últimos años se observa una tendencia ascendente es la microrred eléctrica. Probado en su propia microrred, Tecnalia ha desarrollado MCYS (Decentralized Regulation Control System for Microgrids), un sistema de gestión de energía para microrredes eléctricas que coordina el funcionamiento de los diferentes elementos de generación, almacenamiento y carga. El sistema incluye monitorización, control, comunicaciones y la lógica de gestión que determina cuándo y cuánto genera, almacena o consume cada recurso energético.
MCYS opera la microrred en sus diferentes modos de funcionamiento: conectada a la red principal, aislada y en la transición entre los dos modos anteriores. MCYS efectúa una gestión económica óptima de la energía puesta en juego en la microrred en tiempo real (segundos): (1) cada recurso controlable proporciona sus costes de operación (costes de generación, precios de red, etcétera); (2) la oferta y la demanda son casadas localmente y se obtiene un precio de la microrred; y (3) a cada recurso se le asigna una consigna de operación de acuerdo al precio anterior.
Mediante una tecnología multi–agente, MCYS implementa un control secundario en la microrred (el control primario estaría implementado localmente en los inversores de los recursos) de forma que controlaría la potencia intercambiada con la red principal (en modo microrred conectada), y recuperaría la frecuencia de 50 Hz de referencia (en modo microrred aislada).
Específicamente para plantas de generación, Flexcite incorpora DOME (Dynamic Output Manager of Energy). Se trata de un sistema de operación y control para plantas de generación híbridas compuestas por generación convencional, generación renovable y almacenamiento eléctrico que minimiza los desvíos de producción eléctrica con respecto a un programa prefijado en el punto de conexión a la red de la planta. Al tratarse de una solución flexible y modular, DOME está diseñado para permitir una adaptación sencilla a diferentes configuraciones de planta en función del número y tamaño de las unidades de producción/ almacenamiento, y el tipo de tecnologías empleadas.
Almacenamiento
El uso de sistemas de almacenamiento de la energía basados en baterías es un elemento fundamental en el proceso de descarbonización actual. Debido al desarrollo que han tenido las baterías basadas en la tecnología de Ion–Litio, principalmente en el campo de la movilidad, y del gran volumen de producción asociados a ellas, esta se ha convertido en la tecnología preponderante en los sistemas de baterías en soporte a la red eléctrica.
Battwin es un gemelo digital para sistemas de almacenamiento de la energía basados en baterías (BESS), que además del propio modelo del sistema incorpora la funcionalidad de estimación del estado para predecir y supervisar el comportamiento del sistema.
El gemelo digital está basado en un modelo eléctrico equivalente de batería Randle/Thevening de segundo orden, donde todos los valores de sus componentes (fuentes de tensión e impedancias) son dependientes del estado de carga (SoC) de la batería.
Battwin incorpora un estimador del estado que permite determinar la evolución de sus principales parámetros a nivel de batería y a nivel de celda individual: SoC, estado de salud (SoH), capacidad remanente e impedancia interna de la batería. El modelo semiempírico anterior de estimación de estados se completa un modelo data–driven para la predicción de la vida útil remanente (RUL).
Las principales aplicaciones de este gemelo digital son la optimización de la operación y costes asociados de la batería, proporcionando una información ampliada para la operación del EMS y BMS.
Planificación
La tendencia imparable hacia la electrificación de la movilidad y la demanda residencial e industrial añade un grado más de complejidad e incertidumbre a la hora de diseñar nuevas infraestructuras energéticas. En este sentido, además de las mencionadas herramientas de gestión energética, Flexcite incorpora dos aplicaciones de planificación energética: Geoplan–Grids y Score.
Geoplan–Grids es una herramienta georreferenciada para una planificación energética integrada y prospectiva considerando los aspectos críticos de las infraestructuras energéticas, y evaluando el efecto generado por diferentes escenarios del tipo “que pasaría si…”.
Geoplan–Grids aborda el diseño y la planificación óptimos a medio y largo plazo mediante un enfoque integral y una consideración simultánea de las interacciones entre la infraestructura de la red eléctrica, la red de calor (u otros vectores energéticos), la infraestructura de recarga de vehículo eléctrico, el almacenamiento térmico y eléctrico, así como el papel que pueden tomar diferentes estrategias de gestión de la flexibilidad.
Dada la importancia que están cobrando los sistemas de almacenamiento energético, el módulo Score analiza la viabilidad de este tipo de sistemas aislados o asociados a sistemas de generación renovable para su integración en la red eléctrica. Esta herramienta software, clave a la hora de la toma de decisiones de inversión, realiza cálculos técnicos y económicos a partir de un perfil de generación renovable, unas características del almacenamiento y una estrategia de operación de este último (como servicio ofrecido a la red, aprovechamiento de precios altos de venta de energía, etcétera).
Score permite analizar de forma sistemática diferentes servicios, escenarios o casos de negocio asociados a cierto marco regulatorio para seleccionar y dimensionar la tecnología de almacenamiento más adecuada.
La herramienta puede adaptarse a diferentes configuraciones (almacenamiento aislado, planta híbrida, microrred), tecnologías de almacenamiento (baterías electroquímicas, baterías de flujo, hidrógeno, etcétera), regulaciones nacionales, mercados, etcétera, con funcionalidades como el análisis de viabilidad de las diversas soluciones comparando retorno según dimensionamiento, servicios y estrategias de control, la comparación con el caso base sin almacenamiento, los estudios de sensibilidad de KPIs, etc.
Como conclusión, Flexcite integra en un mismo entorno diferentes soluciones de gestión, control y planificación energética para todos los actores conectados en la red de distribución eléctrica. A los módulos actuales de la suite, se irán incorporando en un futuro próximo otros componentes para la gestión de la flexibilidad ofrecida por prosumidores individuales (Nextflex) y comunidades energéticas (Proshare).
* Emilio Rodriguez es el responsable de Power Systems de Tecnalia
Este contenido aparece en nuestra edición de papel (ER233, julio de 2024), que puedes descargar gratuitamente aquí
